電力系統繼電保護技術,陳 平山東理工大學電氣學院2007.1,1,內 容,第一部分：繼電保護原理第二部分：微機繼電保護第三部分：變電站綜合自動化,2,參考書目,1 賀家李，宋從矩. 電力系統繼電保護原理（第三版）. 北京：中國電力出版社，19942 張保會，尹項根. 電力系統繼電保護. 北京：中國電力出版社，20053 高友權. 配電系統繼電保護. 北京：中國電力出版社，2005 4 楊奇遜，黃少鋒. 微型機繼電保護基礎（第二版）. 北京：中國電力出版社，20055 張舉. 微型機繼電保護原理. 北京：中國水利水電出版社，20046 丁書文. 變電站綜合自動化技術. 北京：中國電力出版社，20057 張惠剛. 變電站綜合自動化原理與系統. 北京：中國電力出版社，2004,3,第一部分,繼電保護原理,4,內 容,繼電保護基礎知識繼電保護基本原理利用故障分量的繼電保護原理小電流接地系統單相接地故障保護小結,5,1. 繼電保護基礎知識,1.1 繼電保護的基本概念1.2 繼電保護研究的內容1.3 繼電保護分類1.4 繼電保護的工作回路1.5 對繼電保護的基本要求1.6 繼電保護發展概況,6,1.1 繼電保護的基本概念,“繼電”源于繼電器（Relay）。最早誕生的繼電器是電磁型過電流繼電器。在正常情況下，其觸點是打開的。當輸入電流大于預先設定的動作電流（稱為整定值）時，其觸點將閉合（啟動）。只有當輸入電流減小到小于返回電流時，繼電器觸點才重新打開（返回）。返回電流小于啟動電流。 無論啟動和返回，繼電器的動作都是明確干脆的，不可能停留在某一個中間位置，這種特性稱為“繼電特性”。,7,1.1 繼電保護的基本概念,繼電特性曲線,8,1.1 繼電保護的基本概念,繼電保護（Relay Protection）泛指能反應電力系統中電氣設備發生的故障（如短路、斷線）或不正常運行狀態（如過負荷），并動作于相應斷路器跳閘或發出告警信號的一種自動化技術和裝置。 繼電保護裝置是保證電力元件安全運行的基本裝備，任何電力元件不得在無繼電保護的狀態下運行。,9,1.2 繼電保護研究的內容,提出保護原理 在分析電網發生故障或不正常運行狀態下各種電氣量或其他特征物理量（如變壓器油箱內的瓦斯）的變化規律的基礎上，找出它們與正常運行狀態的之間的差別，然后制定出合理的保護動作判據。研制保護裝置 根據已經提出的保護原理，設計實際裝置來實現繼電保護功能。,10,1.3 繼電保護分類,按反應的電網運行狀態分類 1）反應故障（包括短路和斷線）狀態，保護動作于相應斷路器跳閘； 2）反應不正常運行狀態（如過負荷、小電流接地系統發生單相接地故障等），保護動作于告警信號。按保護對象分類 如：變壓器保護、線路保護、電容器保護等。,11,1.3 繼電保護分類,按保護所起的作用分類 可分為主保護、后備保護和輔助保護。 主保護滿足系統穩定和設備安全要求，能以最快速度有選擇地切除所保護范圍內的故障。,12,1.3 繼電保護分類,按保護所起的作用分類 可分為主保護、后備保護和輔助保護。 后備保護指主保護或斷路器拒動時用來切除所保護范圍內故障的保護原理或裝置，可分為遠后備保護和近后備保護。遠后備保護由相鄰電力設備或線路的保護來實現。近后備保護由本電力設備或線路的另一套保護來實現（當主保護拒動時），或者由斷路器失靈保護來實現（當斷路器拒動時，只動作于母聯斷路器和母線分段斷路器）。,13,1.3 繼電保護分類,按保護所起的作用分類 可分為主保護、后備保護和輔助保護。 輔助保護是為補充主保護和后備保護的性能或當主保護和后備保護退出運行時所增設的簡單保護。,14,1.3 繼電保護分類,按構成保護判據的特征物理量分類 如：電流保護、距離保護、差動保護等。按利用的故障信號頻譜特征分類 1）工頻分量；2）暫態分量 常規保護原理只反應工頻分量。利用暫態分量可以構成各種超高速保護，如行波保護、暫態保護等。,15,1.3 繼電保護分類,按通信通道分類 主要針對線路保護而言?？煞譃橛型ǖ辣Ｗo和無通道保護。前者包括高頻保護、微波保護、光纖保護等，后者包括所有只利用本端測量信號的保護原理。按保護裝置結構型式分類 可分為機電型、靜態型和微機型。,16,1.4 繼電保護的工作回路,總體構成:,17,1.4 繼電保護的工作回路,繼電保護裝置的構成:測量比較環節：測量特征量，并與整定值比較，以判斷是否應該啟動。邏輯判斷環節：按一定邏輯關系判斷是否發生區內故障。執行輸出環節：負責發出保護動作脈沖信號。,18,1.5 對繼電保護的基本要求,對動作于跳閘的繼電保護，在技術上一般應滿足四個基本要求，即可靠性、選擇性、速動性和靈敏性。 可靠性 包括安全性和信賴性，是對繼電保護性能最根本的要求。安全性要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發生誤動作。信賴性要求繼電保護在規定的保護范圍內發生了應該動作的故障時可靠動作，即不發生拒絕動作。,19,1.5 對繼電保護的基本要求,選擇性 指保護裝置動作時，在可能最小的區間內將故障部分從電力系統中斷開，最大限度地保證系統中無故障部分仍能繼續安全運行。它包含兩層意思： 1）只應由裝在故障元件上的保護裝置動作切除故障； 2）力爭相鄰元件的保護裝置對它起后備保護的作用。,20,1.5 對繼電保護的基本要求,選擇性,21,1.5 對繼電保護的基本要求,速動性 故障發生時，應力求保護裝置能迅速動作切除故障元件，以提高系統穩定性，減少用戶經受電壓驟降的時間以及故障元件的損壞程度。 故障切除時間等于保護裝置和斷路器動作時間的總和。一般快速保護的動作時間為0.06s0.12s，最快的可達0.01s0.04s。一般斷路器的動作時間為0.06s0.15s，最快的可達0.02s0.06s。 保護動作速度越快，為防止保護誤動采取的措施越復雜，成本也相應提高。因此，配電網保護裝置在切除故障時往往允許帶有一定延時。,22,1.5 對繼電保護的基本要求,靈敏性 指對于保護范圍內發生故障或不正常運行狀態的反應能力。在規定的保護范圍內發生故障時，不論短路點的位置、短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，保護裝置都應能靈敏反應，沒有似動非動的模糊狀態。保護裝置的靈敏性通常用靈敏系數來衡量。根據規程規定，要求靈敏系數在1.22之間。,23,1.5 對繼電保護的基本要求,實際工作中，在確定被保護元件的保護方式時，還要考慮其經濟性要求，即在滿足基本保護功能要求的前提下，應盡可能減少投資。隨著電力市場化進程的深入，對經濟性要求越來越重視，甚至把它和前面介紹的四個基本要求合在一起，稱為保護的五個基本要求。 考慮經濟性時，不能僅僅局限于保護裝置本身投資的大小，還應從電網的整體安全及社會利益出發，按被保護元件在電網中的作用和地位來確定保護方式，因為保護不完善或不可靠造成的損失，一般都遠遠超過即使是最復雜的保護裝置的投資。,24,1.5 對繼電保護的基本要求,對繼電保護裝置的各項基本要求是研究分析繼電保護性能的基礎。這些要求之間往往是相互制約的，例如提高保護裝置動作可靠性的措施，一般會造成動作速度及動作靈敏性下降，并增加保護成本。因此，繼電保護的研究、設計、制造和運行的絕大部分工作就是圍繞著如何處理好這些基本要求之間關系進行的。 實際工作中，要根據具體情況以及要解決的主要矛盾，統籌兼顧，尋求一個適當的解決方案。,25,1.6 繼電保護發展概況,繼電保護原理隨著對電網故障特性認識的不斷深入而呈現出低速、高速到超高速的發展趨勢。,26,1.6 繼電保護發展概況,繼電保護裝置隨著元器件技術的發展而發展?？梢愿爬槿齻€階段、兩次飛躍。,27,1.6 繼電保護發展概況,配電網繼電保護的特點與發展：1）傳統配電網一般采用輻射性供電方式，因而其保護不需要像輸電網保護那樣判別故障方向。 2）配電網故障對電網整體運行的影響相對較小，因此并不嚴格要求配電網保護像輸電網保護那樣超高速動作。 3）近年來，隨著我國電網結構日趨合理，電力系統繼電保護的配置越來越強調簡單、實用，對配電網保護來說，這一趨勢更加明顯。,28,1.6 繼電保護發展概況,配電網繼電保護的特點與發展：4）隨著用戶對電能質量（尤其是電壓驟降 ）要求的提高以及分散發電、配電自動化技術的發展，對配電網保護也提出了新要求。,短路故障引起的電壓驟降,29,1.6 繼電保護發展概況,配電網繼電保護的特點與發展：5）隨著嵌入式系統技術的不斷發展及其在變電所自動化系統和配電網自動化系統中的廣泛應用，配電網的保護裝置可以融合數據采集與監控（SCADA）、自動控制（包括自動重合閘、自動無功補償、備用電源自投、自動減載等）、饋線自動化（FA）等功能，并且能夠實現分散、就地安裝，甚至直接嵌入到開關設備內部，形成智能化開關設備的控制內核。6）隨著對故障暫態現象認識的不斷深入，在小電流接地系統的繼電保護方面取得了重大突破。,30,1.6 繼電保護發展概況,全數字式繼電保護裝置： 隨著電子傳感器及高速數據（光纖）通信技術的發展，微機保護裝置可以通過通信接口獲取來自現場的數字化后的電壓、電流信號，進而實現全數字式繼電保護，使微機保護裝置的構成出現革命性的變化。,31,內 容,繼電保護基礎知識繼電保護基本原理利用故障分量的繼電保護原理小電流接地系統單相接地故障保護小結,32,2. 繼電保護基本原理,2.1 電流保護 2.2 距離保護2.3 電壓保護2.4 縱聯電流差動保護,33,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護（2）反時限過電流保護（3）方向電流保護（4）零序電流保護,34,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護 包括: 1）無時限電流速斷保護（ I段保護） 2）帶時限電流速斷保護（ II段保護） 3）定時限過電流保護（III段保護） 它們可組合成兩段或三段電流保護。 這三種電流保護都是反應電流增大而動作，區別主要在于按照不同的原則來整定動作電流及動作時限。,35,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護I段保護 工作原理： 反應于短路電流幅值增大而瞬時動作。 為了保證選擇性，被保護線路的保護動作電流要躲過（即大于）下級線路出口處（可等同于被保護線路末端母線處）短路時可能出現的最大短路電流。,36,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護I段保護 動作電流的整定：,引入可靠系數的原因是消除整定值的計算和設置誤差、短路電流中非周期分量等因素的影響，使保護動作具有選擇性，以確保在被保護線路以外出現故障時不會誤動作。,37,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護I段保護 動作時限的整定： t I 取決于保護裝置本身固有的動作時間，一般小于10 ms。考慮到躲過線路中避雷器的放電時間為（4060）ms，一般人為地加入（6080）ms的動作延時，以防止保護誤動作。,38,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護I段保護 靈敏性校驗： 有選擇性的I段保護不可能保護線路的全長。因此，其靈敏性只能用保護范圍的大小來衡量，通常用線路全長的百分數來表示。當出現電網最小運行方式下的兩相短路時，I段保護范圍最小。一般情況下，應按這種運行方式和故障類型來校驗其保護范圍，要求大于被保護線路全長的（1520）。 保護的最小范圍計算：,39,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護 I段保護 評價： 主要優點是動作迅速，缺點是不可能保護線路的全長，并且保護范圍受電網運行方式變化及短路型式的影響。,40,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護II段保護 工作原理： 從選擇性出發，通過與下級線路保護在動作電流與動作時限上的配合，將保護范圍延伸到下級線路中去，從而能夠以較小的時限快速切除被保護線路全線范圍內的故障。 動作電流配合表示要躲過下級保護的動作電流。 動作時限配合表示在下級保護動作時限的基礎上，增加一定的動作延時。,41,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護II段保護 動作電流的整定：,考慮II段保護動作時，非周期分量已經衰減，因而可靠性配合系數比I段保護整定時所取的可靠系數要小。,42,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護II段保護 動作時限的整定：,t 通常取為0.5s。隨著技術的發展，保護和斷路器動作速度以及定時精度有了很大的提高。為了縮短故障持續時間，減少故障引起的電壓驟降對用電設備的影響，人們開始傾向于將t 選得更小一些，如選為 0.3s甚至更短。,43,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護II段保護 靈敏性校驗： 保護2的II段應采用系統最小運行方式下線路A-B末端（B母線）發生兩相短路時的短路電流計算靈敏系數，具體可以表示為：,為了保證在線路末端短路時，保護一定能夠動作，要求Ksen 1.31.5。,44,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護II段保護 靈敏性校驗： 當靈敏系數不能滿足要求時，通?？紤]降低II段的整定值，使之與下級線路II段保護相配合。在這種情況下的動作時限應取為：,45,2.1 電流保護,（1）三段式電流保護 II段保護 評價： 主要優點是能夠保護線路全長，動作比較迅速(僅當與下級線路I段配合時)，缺點是保護范圍受電網運行方式變化及短路型式的影響。 當被保護線路同時配備了I段和II段保護時，它們的聯合工作就可以保證全線路范圍內的故障都能夠在設定的時限（0；對非故障線路，qk(t)0。判別qk(t)極性可以識別故障線路。,94,4.